MEMS a Radiofrequenza

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1 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE MEMS a Radiofrequenza Roberto Sorrentino, Paola Farinelli, Alessandro Ocera 1 Sommario I Sistemi Microelettromeccanici (MEMS) a radiofrequenza si propongono come una delle tecnologie abilitanti più promettenti per la realizzazione di microsistemi intelligenti con applicazioni le più disperate in ambito civile e militare, con importanti implicazioni sul fronte della ricerca. Essi infatti rappresentano una vantaggiosa alternativa ai dispositivi a stato solido grazie alla loro caratteristica di unire la riconfigurabilità a eccellenti prestazioni in termini di bassa potenza assorbita, linearità e compatibilità con le tecnologie dei circuiti integrati. In questo lavoro sono passate in rassegna le principali caratteristiche di tali dispositivi, accennate le principali problematiche sia tecnologiche sia dal punto di vista della modellazione e progettazione, e, infine, presentati alcuni esempi di applicazione nell ambito dei circuiti riconfigurabili e dei sistemi wireless intelligenti, allo scopo di mostrare le interessanti potenzialità. Conclude la rassegna una breve presentazione delle attività di ricerca e sviluppo attualmente in corso in Italia. I. INTRODUZIONE I MEMS o sistemi microelettromeccanici (Micro-Electro-Mechanical-Systems) sono dispositivi miniaturizzati realizzati con tecniche di microlavorazione (micromachining) tipiche dei circuiti integrati; la loro precipua caratteristica è quella di combinare funzioni meccaniche ed elettriche, onde, per le applicazioni che qui interessano, il dispositivo chiave è l interruttore MEMS: non a caso la sigla significava originariamente Micro-Electro-Mechanical-Switches. Con il termine MEMS, tuttavia, si indica talora anche una più ampia gamma di dispositivi che non contengono parti meccaniche mobili, ma sono tuttavia realizzati con le tecniche di microlavorazione. La tecnologia MEMS ha trovato applicazione nell ambito dell ottica per la realizzazione di microspecchi, guide d onda e sistemi integrati (Fig 1a,b ) e nell ambito dell attrezzatura da laboratorio per lo sviluppo di membrane mobili, sistemi on chip, micropompe, trasduttori ed accelerometri (Fig 1c,d ). 1 Dipartimento di Ingegneria Elettronica e dell Informazione, Università degli Studi di Perugia ID SIEM

2 14 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 (a) (b) (c) Figura. 1 (a),(b) Esempi applicativi della tecnologia MEMS nell ambito dell ottica ; (c),(d) Esempi applicativi della tecnologia MEMS nell ambito dell attrezzatura da laboratorio (d) Nelle applicazioni a radiofrequenza e fino alle onde millimetriche, a cui ci riferiamo in questa rassegna gli RF-MEMS rappresentano una tecnologia estremamente promettente, che si pensa destinata a rivoluzionare le tecnologie a radiofrequenza, il mondo della produzione industriale e il mercato del largo consumo. Oltre alla compatibilità con i circuiti integrati, all ampia larghezza di banda e al potenziale basso costo, infatti, la tecnologia RF MEMS promette oggi di soddisfare le nuove priorità dei moderni sistemi di comunicazione e dei sistemi senza fili multifunzionali, quali bassi consumi di potenza, compattezza, riconfigurabilità e alto SNR dei dispositivi [1]. La massima parte dei sistemi di telecomunicazione e per applicazioni radar sono stati sviluppati negli ultimi decenni impiegando dispositivi a stato solido come diodi pin o transistor a effetto di campo (FET), i quali sono però causa di elevate perdite nei front-end e di un basso SNR dovuto alle loro non linearità intrinseche. La tecnologia MEMS, grazie alle ridotte dimensioni (µm-nm), ai bassi consumi di potenza (µw), alle basse perdite di inserzione ( db) e all eccellente linearità, rappresenta una validissima prospettiva tecnologica per ovviare agli inconvenienti propri dei dispositivi a stato solido. Allo stesso tempo essa consente di soddisfare i più importanti requisiti dei sistemi di TLC nel campo delle microonde e delle onde millimetriche. Bisogna tuttavia riconoscere che l iniziale straordinario ottimismo sulle potenzialità della tecnologia MEMS nel settore della radiofrequenza si è alquanto ridimensionato negli ultimi anni, poiché alcuni limiti tecnologici, pur in parte superati, non hanno finora trovato una soluzione del tutto soddisfacente. Tali limiti sono essenzialmente quelli della affidabilità, della limitata potenza sostenibile, dei tempi di commutazione e della necessità di idonei involucri protettivi (package). Questo spiega il lungo lasso di tempo intercorso tra il primo microinterruttore MEMS a radiofrequenza, presentato in letteratura nel 1979 [2], e il primo componente RF-MEMS commercializzato solo nel 2001 (Agilent). Si può ritenere

3 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 15 che la tecnologia MEMS sia ancora in uno stato di incompleta maturazione, benché i più recenti risultati ottenuti negli USA dichiarino cicli di commutazione senza rottura dell ordine di 10 9, potenze sostenibili dell ordine di qualche W, tempi di commutazione di centinaia di microsecondi e vari tipi di involucri ermetici di alta affidabilità. Un crescente numero di circuiti è stato prodotto negli ultimi anni con circa 60 nuove compagnie entrate in fase di commercializzazione nel 2005 [3]. La situazione in Europa si può considerare ancora più immatura, a causa del ritardo con cui si è dato avvio alle attività di ricerca e dei molto più limitati investimenti destinati allo sviluppo di questa tecnologia. Una trattazione, non che esauriente, ma anche solo un po approfondita richiederebbe ben altro spazio e non è negli scopi di questo lavoro, che vuol essere una semplice rassegna informativa. Il lettore interessato trova una bibliografia essenziale dove poter documentasi. Dopo alcuni cenni sulla tecnologia MEMS, presentata nel prossimo paragrafo, passiamo poi a illustrare le caratteristiche e tipologie del dispositivo chiave, il commutatore MEMS, nonché alcuni esempi di circuiti riconfigurabili che traggono vantaggio dall impiego di tale dispositivo. In conclusione diamo una breve descrizione dello stato della ricerca e sviluppo in Italia alla data odierna. II. LA TECNOLOGIA MEMS La tecnologia MEMS nasce come fusione della tecnologia dei circuiti integrati (IC) con la più avanzata tecnologia micromeccanica. Utilizzando le consolidate tecniche di fabbricazione degli IC insieme ad opportuni processi meccanici e chimici, è possibile ottenere dispositivi MEMS perfettamente integrabili con gli stessi IC. Numerose sono le tecniche di fabbricazione attualmente in uso, tra cui la microlavorazione superficiale (surface micromachining), la microlavorazione di volume (bulk micromachining), le tecniche LIGA[4]. Il surface micromachinig può considerarsi al momento la tecnica più diffusa per la realizzazione di dispositivi MEMS. Essa consiste nella deposizione di strati dielettrici e metallici sulla superficie di un substrato e la successiva definizione delle strutture tramite tecniche fotolitografiche (Fig 2). La realizzazione di strutture sospese, quali membrane e ponticelli (air-bridges), avviene tramite l utilizzo di materiali sacrificali. Essi vengono deposti sotto le strutture da rendere sospese e successivamente rimossi tramite tecniche di attacco selettivo, quali il wet o dry reactive-ion etching (RIE) che permettono una rimozione veloce e altamente selettiva degli strati sacrificali. Un esempio dei passi di processo surface micromachining è illustrato in Fig. 2. Il bulk micromachining (Fig 3) prevede invece la realizzazione di strutture 3-D direttamente in substrati di silicio o quarzo utilizzando tecniche di attacco cristallografico per la rimozione selettiva del substrato. Tale tecnica sfrutta l anisotropicità della velocità di attacco (etch rates) dei diversi piani cristallografici del wafer dovuta al loro diverso orientamento. L attacco cristallografico può

4 16 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 avvenire sia usando soluzioni isotrope che anisotrope. Mentre nel primo caso le geometrie ottenibili hanno forma emisferica, nel secondo caso è possibile ottenere forma ben definita a spese di maggiori tempi e costi di processo. Una nuova tecnica ibrida che integra le due precedenti è stata recentemente sviluppata e perfezionata. Essa consiste nell effettuare un primo attacco isotropo e successivamente modellare/perfezionare le pareti delle cavità ottenute tramite l utilizzo di soluzioni anisotropiche. Diversi sono i materiali che vengono utilizzati in un processo micromachining per la fabbricazione di MEMS: oro e alluminio per le metallizzazioni, materiali ceramici quali SiO 2, Si 3 N 4 per gli strati dielettrici e materiali plastici tipo photo resist per gli strati sacrificali. A seconda del processo MEMS e dei materiali utilizzati vengono adottate tecniche di sputtering, evaporazione o elettrodeposizione per la deposizione dei singoli strati sottili. La tecnica LIGA, largamente usata per strutture MEMS come rotori, molle e perni piuttosto che per RF-MEMS, consiste in un processo schematizzabile in 3 passi: litografia, elettrodeposizione e stampo (molding). Un blocco di photo-resist ad elevato spessore viene esposto a raggi X per la creazione di uno stampo (mold), poi utilizzato per la elettrodeposizione di strutture 3-D ad alto rapporto di forma.

5 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 17 Figura. 2 - Surface micromachining: (a) Silicon dioxide deposizione di SiO 2 ; (b) deposizione elettrodo inferiore; (c) silicon nitrate insulator deposizione e definizione dello strato isolante in Si x N y ; (d) Deposizione e definizione degli ancoraggi in Alluminio; (e) Ricopertura con strato sacrificale in photoresist sacrificial layer; (f) Deposizione della membrana mobile in lega di Alluminio; (g) Rimozione dello strato sacrificale

6 18 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 Figura 3-Bulk micromachinig : (a) anisotropic etch, (b) isotropic etch, (c) hybrid etch III. INTERRUTTORI SPST IN TECNOLOGIA MEMS L elemento chiave della tecnologia MEMS è rappresentato dal semplice interruttore, denominato anche SPST (Single Pole Single Throw). Questo semplice dispositivo, nelle sue possibili configurazioni, rappresenta il punto di partenza per la progettazione di circuiti e sistemi riconfigurabili più complessi come sfasatori digitali, filtri commutabili, antenne riconfigurabili, matrici di commutazione, divisori di potenza, oscillatori e reti di alimentazione programmabili. Le due principali configurazioni di micro-interruttori MEMS, mostrate in Fig 4a,b, sono la configurazione a singolo ancoraggio (ponte a mensola o cantilever) e la configurazione a doppio ancoraggio (ponte o bridge). In entrambi i casi l interruttore si attua deformando meccanicamente la membrana: nel primo caso il circuito si chiude tra la membrana sospesa e l elettrodo fisso, nel secondo tra la membrana del ponte e un elettrodo sottostante. Cantilever bridge Air bridge (a) Figura. 4 Possibili configurazioni : (a) Cantilever Bridge ; (b) Air Bridge L azionamento dell interruttore può realizzarsi secondo diversi meccanismi di attuazione che possono essere distinti in quattro categorie: Attuazione Elettrostatica : E la più diffusa e si basa sull applicazione di una differenza di potenziale tra due elettrodi paralleli con una certa area di affacciamento. Richiede tensioni spesso elevate (fino a 50V e oltre) ma consente di raggiungere elevate velocità di commutazione. (b)

7 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 19 Attuazione Termica: E basata sulla differenza di dilatazione termica dei materiali del componente. Non consente di raggiungere elevate velocità di commutazione. Attuazione Piezoelettrica: E veloce e consente di ottenere basse tensioni di attuazione. L utilizzo di materiali piezoelettrici tuttavia comporta un aumento delle perdite specialmente ad alta frequenza. Attuazione Magnetostatica: Consente un attuazione bidirezionale ma può richiedere elevati consumi di potenza. In questa rassegna considereremo solo l attuazione elettrostatica poiché è quella maggiormente diffusa e che meglio si adatta alla maggior parte delle applicazioni dei circuiti a radiofrequenza. Gli interruttori MEMS ad attuazione elettrostatica possono essere utilizzati sia come interruttori digitali che come capacità analogiche (varactors) semplicemente agendo sulla tensione utilizzata per determinarne l attuazione e combinando le funzioni degli interruttori digitali MEMS con i capacitori MAM (metal-air-metal) o MIM (metal-insulator-metal)[5-8]. Un altra importante distinzione tra i vari tipi di interruttore riguarda il tipo di contatto tra la membrana mobile e la linea di trasmissione, che può essere di tipo resistivo (ovvero a contatto ohmico) o capacitivo, a seconda della presenza o meno di uno strato di passivazione dielettrico che riveste la linea di segnale RF. Entrambe le configurazioni, a singolo e a doppio ancoraggio, possono essere disposte in serie o parallelo rispetto alla linea RF. In generale l interruttore serie è realizzato a contatto ohmico e mostra un ottimo isolamento a banda larga (DC-30GHz) ma perdite di inserzione superiori rispetto a quello parallelo a causa della resistenza di contatto ponte-linea RF. Interruttori di tipo parallelo consentono invece di ottenere più facilmente bassissime perdite di inserzione, poiché la linea di segnale non subisce alcuna interruzione. L isolamento da essi fornito è a banda significativamente più stretta rispetto ad analoghi dispositivi serie, ma, nel caso di micro-interruttori capacitivi, esso presenta il vantaggio di poter essere centrato da progetto nella banda di interesse fino ad altissime frequenze (bande V e W). La parte più critica della realizzazione di dispositivi a contatto capacitivo risulta legata alla minimizzazione della rugosità del dielettrico che costituisce il contatto e al controllo delle cariche in esso intrappolate che possono dar origine a malfunzionamenti quali l incollaggio della membrana sul dielettrico. Nella configurazione serie la linea di segnale è interrotta da una fessura (Fig 5a): quando il ponte è in posizione alta (up-state) l interruttore è aperto (OFFstate) mentre quando il ponte viene abbassato (down-state) è in fase di conduzione (ON state). L attuazione avviene applicando una differenza di potenziale U 0 tra il ponte e l elettrodo di attuazione sottostante.

8 20 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 (a) Figura. 5 Air Bridge in configurazione serie : (a) Posizione non attuata (b) Posizione attuata L interruttore può essere rappresentato con i circuiti equivalenti mostrati in Fig 6a,b relativi al caso attuato e non attuato. La resistenza R on rappresenta il contatto tra la membrana mobile e la linea di trasmissione quando l interruttore è in stato di conduzione (On State). Al contrario, in stato di isolamento (Off State) è presente una piccola capacità tra le parti del ponte che si affacciano sulla linea interrotta, rappresentata dai capacitori C off. In entrambi gli stati è inoltre presente una capacità parassita C p tra le due estremità della linea di trasmissione interrotta. (b) (a) (b) Figura 6 Circuito equivalente di un interruttore serie a contatto ohmico.(a)on State (b)off State.

9 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 21 In modo duale, nella configurazione parallelo (Fig 7), il segnale RF si trasmette quando il ponte è in posizione non attuata (ON-State). Applicando una differenza di potenziale tra la membrana sospesa ed il sottostante elettrodo di attuazione (che in qualche caso può coincidere con la stessa linea di segnale) il ponte si abbassa sulla linea cortocircuitando il segnale verso massa (OFF-State). (a) Figura. 7 Air Bridge in configurazione parallelo : (a) Posizione non attuata (ON state) (b) Posizione attuata (OFF state) (b) Il circuito equivalente di questo interruttore è costituito da una capacità variabile connessa in parallelo alla linea di trasmissione (Fig 8), che in posizione attuata e non attuata è stimabile rispettivamente nell ordine di 0.1 pf e 10 pf. Figura 8 Circuito equivalente dell interruttore parallelo con contatto capacitivo

10 22 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 A titolo di esempio, la Fig. 9a mostra un interruttore MEMS parallelo a contatto capacitivo, realizzato presso ITC-irst su substrato di silicio ad alta resistività. La linea di segnale della CPW è rivestita di uno strato di materiale dielettrico (LTO, spessore 0.1µm). L attuazione avviene polarizzando le due piazzole poste ai lati della linea CPW (non visibili in figura) tramite delle linee ad alta resistenza dette ( bias lines ) che si intravedono al di sotto dello strato di oro. Le risposte dell interruttore nei due stati on e off sono mostrate in Figura 9b,c, confrontate con le simulazioni. [db] (a) [db] (b) Isolation freq, GHz Insertion Loss freq, GHz Figura. 9 Fotografia di un interruttore parallelo a contatto capacitivo (ITC-IRST) (a); simulazioni MOMENTUM e misure sperimentali (b),(c) Il secondo esempio è un interruttore SPST serie a contatto ohmico [9], costituito da una membrana posta a ponte sopra il conduttore centrale di una linea complanare ma ancorata su sostegni indipendenti dai piani di massa. Nel dispositivo in questione sono state realizzate delle piccole protuberanze ( bumps ) in corrispondenza del punto di contatto ponte-linea e delle alette laterali nella geometria del ponte che ne migliorano significativamente il contatto con la sottostante linea RF. I risultati relativi allo stato attuato e non attuato confrontati con le simulazioni sono mostrati assieme ad una foto dell interruttore in Fig 10. (c)

11 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 23 (a) 0 Isolation 0 Insertion Loss [db] [db] freq, GHz (b) freq, GHz (c) Figura.10 (a)fotografia dell interruttore serie a contatto ohmico (ITC-IRST ). simulazioni MOMENTUM e misure sperimentali (b)-(c) IV. MODELLAZIONE CICUITALE, ELETTROMAGNETICA E MECCANICA I dispositivi MEMS sono dei dispositivi complessi progettati coniugando esigenze elettromagnetiche con vincoli meccanici e termici. Il dispositivo può essere inizialmente studiato sulla base di un suo circuito equivalente e quindi progettato da un punto di vista circuitale. Circuiti equivalenti di interruttori singoli su linee di trasmissione uniformi sono stati infatti determinati per le varie configurazioni, mostrando un ottimo accordo tra modello circuitale e misure [10], [11]. Questa fase tuttavia deve essere seguita da un analisi di tipo elettromagnetico necessaria data la natura 3D del dispositivo stesso. A differenza dell analisi circuitale, l analisi elettromagnetica consente di includere molti fattori come effetti di prossimità, spessore delle metallizzazioni ed eventuali disomogeneità dielettriche. Diversi simulatori elettromagnetici sono stati sviluppati e commercializzati per l analisi di strutture MEMS. Nel dominio del tempo le tecniche più utilizzate sono la FDTD (Finite Difference Time Domain) e la TLM (Transmission Line Method) basate su un approccio differenziale, la TD e la FEM (Finite Element Method) basate su approccio integrale. Nel dominio della frequenza invece le tecniche più diffuse sono la FDFD (Finite Difference Frequency

12 24 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 Domain) ad approccio differenziale, la MOM (Method Of Moments) e la GTRD ad approccio integrale. I simulatori elettromagnetici commerciali basati sulle suddette tecniche consentono di effettuare sia analisi 3D (CST, EM3DS ) che 2.5D (SONNET, ADS MOMENTUM). Nel secondo caso l ipotesi di corrente costante lungo le metallizzazioni verticali consente di ottenere ottime prestazioni in termini di accuratezza, affidabilità e tempi di calcolo. Il progetto dei MEMS non si esaurisce ovviamente al dimensionamento elettromagnetico ma va integrato con un opportuna analisi meccanico-termica. Tempo di vita, affidabilità e velocità di commutazione dipendono infatti dalle proprietà meccaniche della struttura. In questo paragrafo vengono dunque forniti alcuni cenni circa il funzionamento meccanico dei dispositivi MEMS ad attuazione elettrostatica. Un micro-interruttore MEMS può essere modellato in prima approssimazione come due elettrodi paralleli, uno dei quali è ancorato ad una molla di costante elastica K (membrana mobile) mentre l altro è fisso e appoggiato sul substrato (elettrodo di azionamento). Quando si applica tra l elettrodo di azionamento e il ponte sospeso una differenza di potenziale, una forza elettrostatica Fe attira il ponte sospeso verso l elettrodo fisso. L elettrodo superiore (il ponte) si abbassa fino a stabilizzarsi ad una certa altezza allorché la forza elastica R bilancia la forza elettrostatica (Fig 11): Fe+R=0 (1) R Fe Figura.11 Modello meccanico semplificato (b) di un interruttore MEMS cantilever (a) La forza elettrostatica presente tra i due elettrodi può essere espressa come: Fe 1 AV 2 g 2 0 (2) 2 dove A,V, g rappresentano rispettivamente l area di affacciamento, la tensione applicata e la distanza tra i due elettrodi.

13 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 25 La forza di controreazione R può a sua volta essere espressa in funzione della costante di elasticità del ponte e della distanza g tra i due elettrodi: R k( g g ) 0 (3) dove g rappresenta l altezza iniziale del ponte per Fe=0. La costante elastica k 0 del ponte può essere scomposta nelle due parti k e k k = k +k (4) dove k é caratteristica della geometria del ponte mentre k dipende dall ampiezza dello stress residuo presente nella lega dei materiali costituenti l elettrodo sospeso, la cui intensità è legata alle condizioni di deposizione degli strati metallici al momento della fabbricazione. Maggiore è lo stress residuo presente nella struttura, maggiore sarà la tensione di attuazione del dispositivo. Utilizzando la teoria meccanica dei ponti, è possibile ricavare la formula della deformazione del ponte sospeso verso l elettrodo inferiore (Fig 12) in funzione dell ampiezza della forza ad esso applicata. Figura 12 Deformazione del ponte sospeso verso l elettrodo inferiore. Supponendo che la forza F e sia distribuita su tutta la superficie dell elettrodo di azionamento, la deformazione del ponte y(x) é data da : Fe W y ( x) 12 W L x x L W 4 W x (5) 24 E I W 2 dove E è il suo modulo di Young ed I il suo momento d inerzia. La costante k si può dunque esprimere in funzione della forza elettrostatica e della deformazione verticale del ponte y(x):

14 26 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 Fe k'( x) (6) y( x) La costante k assumerà valori maggiori vicino all ancoraggio con il substrato, cioè per x minori, risultando quindi più difficile flettere il ponte in sua prossimità. E quindi possibile ricavare la formula della deformazione del ponte sospeso verso l elettrodo inferiore in funzione dell ampiezza della forza ad esso applicata e quindi effettuarne il dimensionamento meccanico. Ad una certa intensità della tensione di azionamento, l elettrodo sospeso si abbasserà al punto che la forza R non riuscirà più a bilanciare la forza elettrostatica. Ovviamente tale modello semplificato non tiene conto del comportamento dinamico del ponte (oscillazioni, etc ) e della formazione di cariche elettrostatiche sui materiali, ciò che può determinare fenomeni di incollaggio (stiction) tra gli elettrodi. Il grafico in Fig 13 mostra il tipico andamento della tensione in funzione dell altezza del ponte. Come si può notare la curva non é monotona, e mostra l esistenza di una regione in cui l elettrodo continua ad abbassarsi nonostante il diminuire della tensione applicata. 1,8E-6 1,6E-6 1,4E-6 1,2E-6 Altezza dell elettrodo 1,0E-6 800,0E-9 600,0E-9 400,0E-9 200,0E-9 000,0E Tensione di azionamento Figura 13 Altezza dell elettrodo in funzione della tensione di azionamento. Da questo si evince come per una certa intensità della tensione di azionamento (tensione di pull-in) l elettrodo sospeso si abbassa al punto che la forza R non riesce più a bilanciare la forza elettrostatica. Questa instabilità é propria dell azionamento elettrostatico ed avviene quando l elettrodo sospeso subisce una deformazione lungo l asse y maggiore di g 0 /3. Uguagliando quindi la (2) e la (3) per g=g 0 /3 si ricava la tensione di pull-in, che risulta uguale a: V p 8* k L 3 g 0 (7) 27 A 0

15 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 27 dove k L è la costante di elasticità del ponte calcolata all estremità, A è l area di affacciamento tra i due elettrodi, 0 è la permittività dielettrica del vuoto e g 0 è l altezza del ponte in posizione non attuata. V. DISPOSITIVI SPDT I dispositivi un ingresso/due uscite denominati Single Pole Double Throw (SPDT) rappresentano l elemento chiave per una vasta gamma di dispositivi a microonde come ad esempio le matrici di commutazione per applicazioni spaziali. Tra le diverse configurazioni proposte in letteratura, in questo paragrafo viene illustrato un SPDT costituito da una giunzione a T in linea complanare con quattro interruttori SPST collocati a coppie sui due rami della giunzione che, a seconda del loro stato di attuazione indirizzano il segnale su una delle due uscite [9]. Su ogni ramo è stata utilizzata una combinazione di due interruttori uno con contatto ohmico l altro di tipo capacitivo, quest ultimo inserito in serie al primo al fine di migliorare l isolamento ad alte frequenze del dispositivo. Il micro-interruttore SPST con contatto ohmico, essendo costituito da un ponte che abbassandosi sotto l azione di una tensione di attuazione stabilisce un contatto metallo/metallo tra due tratti di linea CPW, in posizione di riposo (ponte alto) inibisce il passaggio del segnale. L interruttore serie è stato inoltre posto il più vicino possibile alla giunzione a T in modo da garantire un ottimo circuito aperto se in posizione non attuata. L interruttore di tipo capacitivo in posizione di riposo (ponte alto) lascia passare il segnale in transito sulla linea mentre quando attuato creare un cortocircuito capacitivo verso massa del segnale RF. Lo switch parallelo è stato progettato con una frequenza di risonanza di circa 22GHz in modo da poter migliorare l isolamento ad alta frequenza del dispositivo. Il segnale di ingresso applicato alla porta alla base della giunzione a T può essere dunque indirizzato su una delle due porte di uscita poste sui due rami della T, attuando l interruttore con contatto ohmico sullo stesso ramo e l interruttore capacitivo sul ramo opposto. Il dispositivo è stato realizzato su un wafer di silicio ad alta resistività di spessore pari a 525 µm e presenta delle prestazioni eccellenti a larga banda (DC- 30GHz). In Fig. 14 a,b sono mostrati rispettivamente una foto al microscopio ottico della struttura ed i risultati simulati e misurati.

16 28 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 (a) (b) Figura 14 (a) Foto al microscopio ottico del micro-interruttore SPDT realizzato presso ITC-IRST Trento (Italia) ; (b) Confronto tra risultati sperimentali e simulazioni In particolare si osserva una perdita per inserzione migliore di 0.7 db e un isolamento di circa 40 db sull intera banda di interesse. Il dispositivo è stato ulteriormente ottimizzato ed i risultati sperimentali ti tale ultima fase di realizzazione saranno a breve disponibili. VI. CICUITI RICONFIGURABILI La possibilità di modificare la configurazione, e quindi i parametri caratteristici, di un circuito risulta di grande interesse applicativo in quanto consente di adattare le prestazioni di un sistema a mutevoli condizioni esterne formando così le basi per la realizzazione di sistemi e microsistemi intelligenti. Mediante l uso di commutatori MEMS è possibile realizzare una varietà di dispositivi riconfigurabili, quali sfasatori, divisori e ricombinatori, filtri accordabili, eccetera, così come elementi radianti e antenne riconfigurabili; in tutti questi casi l utilizzo dei MEMS risulta molto promettente in virtù delle loro caratteristiche di bassa potenza assorbita, linearità ed elevati livelli di integrazione. Non avendo qui spazio per approfondire un tema di tale vastità, ci limitiamo ad alcune mere esemplificazioni. A. Sfasatori digitali Gli sfasatori trovano largo uso in una grande varietà di sistemi di comunicazione e sistemi radar. In particolare, essi sono componenti essenziali nei sistemi di antenna laddove i segnali che alimentano gli elementi radianti devono essere opportunamente sfasati tra loro per ottenere le opportune configurazioni del fascio irradiato. Uno sfasatore analogico permette una variazione continua dello sfasamento, mentre uno sfasatore digitale è costituito da un cascata di elementi (per semplicità, indicati come bit) che consentono soltanto incrementi discreti, pesati con logica binaria. La maggior parte degli sfasatori a MEMS sviluppati finora è basata su configurazioni convenzionali, in cui i dispositivi a stato solido sono sostituiti da

17 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 29 interruttori MEMS ottenendo così consistenti miglioramenti in termini di perdite di inserzione (fino a 3-4 db) e di compattezza [12]. Le più diffuse configurazioni di sfasatori programmabili sono quelle a linea commutata (switched-line) [13], a riflessione [14] a linee caricata [15] e a onda lenta [16]. Nello sfasatore a linea commutata, che è il modo concettualmente più semplice per realizzare uno sfasatore digitale, il segnale RF è indirizzato da commutatori a due vie (SPDT) su tratti di linea di trasmissione di lunghezza differente al fine di ottenere gli sfasamenti desiderati. In Fig 15a,b è mostrata una foto con relative misure di uno sfasatore 4-bit switched-line realizzato dalla Rockwell Scientific [12]. Figura 15. (a)foto dello sfasatore 4-bit ; (b) sfasamenti misurati nella banda [0,40]GHz La suddetta architettura risulta di semplice progettazione ed ottime prestazioni da DC a 40GHz. I suoi principali limiti consistono nelle crescenti perdite di inserzione al crescere della frequenza e nella significativa occupazione di spazio all aumentare del numero di bit implementati. La tipologia a riflessione consiste invece di un accoppiatore a 3dB con le porte diretta e accoppiata chiuse su due carichi variabili identici. In Fig 16a,b vengono mostrati esempi di sfasatori a riflessione prodotti dalla Raytheon con relative misure [12].

18 30 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 (a) Figura 16. Sfasatori 2-b e 4-b reflection-line ; (b) sfasamenti misurati nell intervallo 7-11 GHz (b) Questa soluzione consente di ottenere un ritardo di fase per unità di lunghezza doppio rispetto a quello ottenibile con un architettura convenzionale; tuttavia le sue prestazioni in termini di linearità di fase, banda di utilizzo e perdite per inserzione sono fortemente limitate dall accoppiatore utilizzato. Lo sfasatore a linee caricate consiste di una linea di trasmissione periodicamente caricata con capacità variabili. La variazione della capacità per unità di lunghezza produce una variazione della costante di fase della linea e quindi una variazione dello sfasamento ingresso/uscita. Le capacità variabili possono essere realizzate mediante micro-interruttori MEMS in grado di commutare tra uno stato off ( C off ) ed uno stato on ( C on ) (soluzione digitale) oppure usando varactor MEMS (soluzione analogica). Quest ultima soluzione permette di ridurre il numero di segnali di controllo dello sfasatore e di ottenere, in teoria, tutti i gradi di sfasamento desiderati, ma, d altro lato, presenta problemi tecnologici e di stabilità legati al controllo dell altezza dei ponti MEMS sulla linea RF. Un esempio di sfasatore digitale MEMS a linee caricate [17] è mostrato in Fig 17 insieme agli sfasamenti misurati. La struttura è stata realizzata su quarzo utilizzando interruttori MEMS e tratti di linea complanare ottenendo una figura di merito di 0.9 db per bit nell intervallo GHz.

19 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 31 Figura 17. Sfasatore MEMS 3-bit distribuito a linee caricate. Il limite principale di questa configurazione è legato al disadattamento introdotto dal carico capacitivo che può essere mantenuto entro limiti accettabili diminuendo la variazione C on /C off per unità di lunghezza. Conseguentemente diminuisce lo sfasamento associato a ciascuna sezione e le dimensioni totali del circuito possono risultare elevate, soprattutto a basse frequenze. Solitamente sfasatori distribuiti a linee caricate risultano preferibili a quelli a linea commutata per applicazioni in banda V e W poiché ad alte frequenze mostrano minori perdite di inserzione e maggior compattezza rispetto a questi ultimi. Tra le soluzioni proposte per ovviare al problema del disadattamento associato alla variazione del carico capacitivo vale la pena di citare quella mostrata in figura 18 che è basata su una struttura a onda lenta [18], dove interruttori MEMS sono utilizzati per modificare la geometria della linea introducendo o meno celle a onda lenta. Si possono così ottenere prestazioni eccellenti in termini di larghezza di banda e adattamento, come mostrato dai dati sperimentali di figura 19.

20 32 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 Figura 18. Geometria di uno sfasatore a 4-bit costituito da una struttura a onda lenta (a) Figura 19. (a) Risultati sperimentali di figura 21. : (a) return loss ; (b) sfasamenti e perdite di inserzione (b) B. Filtri riconfigurabili La tecnologia RF MEMS trova naturale applicazione anche nel progetto di filtri riconfigurabili elettronicamente, di notevole interesse sia per applicazioni militari che commerciali. Essi consentono infatti di ridurre significativamente le dimensioni dei front-end dei sistemi di telecomunicazione e di eliminare dinamicamente segnali di interferenza indesiderati. Gli interruttori MEMS possono essere impiegati in questo contesto per variare eventuali capacità di carico o di accoppiamento del filtro stesso. E così possibile ottenere ampi intervalli di riconfigurabilità all interno della stessa banda, minimizzando le perdite per inserzione. In Fig 20 è mostrato un esempio di filtro a 4-stati realizzato dalla MEMtronics Corporation [19].

21 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 33 Figura 20. Filtro DMTL end-coupled realizzato da MEMtronics Corporation Il dispositivo è un filtro DMTL (distributed MEMS transmission line) con un intervallo di riconfigurabilità del 35% attorno alla frequenza centrale di 8.2 GHz. Vengono impiegati 40 interruttori MEMS per modificare sia le capacità di carico che quelle di accoppiamento. In questa maniera è possibile ottenere un filtro con una banda percentuale costante pari al 15% con perdite per inserzione inferiori a 3.8 db, come si vede dalle misure mostrate in Fig 21 a,b. (a) Figura 21. Insertion Loss e Return loss del filtro DMTL di Fig.23 Un altro modo di impiegare i MEMS per modificare la banda di un filtro passabanda consiste nel variare la geometria o la lunghezza dei risonatori di un filtro, per esempio in filtri a linee accoppiate o in filtri hairpin line [20]. In figura 22 è mostrata la geometria di un filtro hairpin line a cinque poli. I dieci interruttori MEMS disposti in serie ai cinque risonatori, consentono di variarne la lunghezza e di accordare così la frequenza centrale del filtro. (b)

22 34 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 Figura 22. Geometria di un filtro 5 poli hairpin line riconfigurabile a MEMS su due stati I risultati relativi ai due stati del filtro (circuiti di test relativi ai due stati) visualizzati in Fig 23 mostrano un intervallo di riconfigurabilità del 10 % con perdite di riflessione migliori di 17 db e perdite di inserzione migliori di 3 db in entrambi gli stati. Figura 23. Risposta del filtro hairpin-line riconfigurabile a MEMS di Figura 25 C. Divisori di potenza variabili Divisori e combinatori di potenza sono tipicamente applicati nelle reti di alimentazioni di antenne a schiera e negli amplificatori di potenza. La riconfigurabilità di tali dispositivi può essere utilmente sfruttata per ottenere un controllo adattativo della potenza trasmessa o, nel caso di antenne a schiera, la sagomatura dinamica del fascio. In questa sezione illustriamo a titolo di esempio l architettura di un divisore/combinatore con rapporto di potenza (power ratio, PR) programmabile

23 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 35 utilizzante interruttori RF-MEMS [21], il cui impiego costituisce una valida soluzione per la riconfigurazione di numerosi sistemi di telecomunicazione. Il dispositivo in esame impiega due accoppiatori direzionali a 3dB e uno sfasatore variabile, secondo lo schema di Fig 24. Figura 24 Architettura del divisore/combinatore Utilizzando il dispositivo come divisore, un segnale di ingresso a incidente alla 1 porta 1 è suddiviso in due segnali di uscita b e b con un PR dipendente dallo 3 4 sfasamento introdotto (8) Semplicemente variando lo sfasamento si può teoricamente ottenere qualunque rapporto di suddivisione in potenza PR, da 0:1 ( =, potenza di ingresso interamente trasmessa alla porta 3) a 1:0 ( =0, potenza di ingresso interamente trasmessa alla porta 4). Nell utilizzo come ricombinatore, i due segnali di ingresso a 3 ed a 4 vengono ricombinati alle porte 1 e 2 con rapporti unicamente dipendenti da. (9) (10) (11) L implementazione della suddetta struttura in tecnologia MEMS impiega due accoppiatori a 3dB di tipo branch-line ed uno sfasatore di tipo MEMS reflection line; la geometria è mostrata in Fig. 25.

24 36 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 Figura 25 Layout del divisore riconfigurabile a MEMS- Università di Perugia Lo sfasatore è costituito da un accoppiatore a 3 db con le porte diretta e accoppiata connesse a due identici carichi reattivi, realizzati mediante due stub in circuito aperto, la cui lunghezza può essere modificata mediante la sequenziale attuazione degli otto interruttori MEMS di tipo cantilever con contatto ohmico. Il dispositivo è stato progettato per ottenere cinque possibili valori di PR ( 1:0, 4:1, 1:1, 1:4 ) nella banda GHz. In figura 26 vengono mostrati i risultati relativi ai possibili stati ottenuti col simulatore elettromagnetico ADS MOMENTUM. Figura 26 Risultati relativi alle cinque possibili configurazioni di divisione.

25 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 37 I risultati ottenuti evidenziano un return loss ed un isolamento migliore di 20 db in tutti gli stati con un errore relativo al PR al massimo pari al 4.5%. VII. ANTENNE RICONFIGURABILI Fra i settori applicativi emergenti per i quali le strutture MEMS appaiono particolarmente promettenti vi è certamente quello delle antenne riconfigurabili e delle antenne intelligenti. Lo sviluppo dei moderni sistemi di comunicazione richiede una serie di prestazioni sempre più stringenti come ad esempio la possibilità di riconfigurare il fascio irradiato e di adattarlo interattivamente allo scopo di massimizzare il flusso informativo verso le zone utili e minimizzando al contempo gli effetti di disturbi e interferenze. Le antenne adattive o intelligenti (smart antennas) sono in grado di effettuare un filtraggio spaziale permettendo, per esempio, a utenti che si trovano in posizioni diverse di condividere contemporaneamente lo stesso canale. Questo approccio è comunemente noto come SDMA (Space Division Multiple Access). Un importante esempio di filtraggio spaziale è la soppressione di eventuali interferenze provenienti da direzioni diverse da quella del segnale, ottenuta modificando la forma del fascio in modo da posizionare un nullo nella direzione del segnale di disturbo (cancellazione di interferenza). Le antenne intelligenti sono costituite da una schiera lineare, planare o conforme di elementi radianti, che possono essere di tipo stampato (antenne a patch, tapered slot, Vivaldi, ecc.), dipoli metallici o antenne ad apertura (antenne a slot, horn in guida, ecc.). Ogni radiatore è connesso ad uno sfasatore digitale che controlla la fase del segnale trasmesso o ricevuto dal singolo elemento. Mediante opportuni algoritmi di sintesi, ottimizzazione e controllo [22-25] è possibile sagomare il fascio modificandone non soltanto la direzione di puntamento ma anche la forma (larghezza del lobo principale, livello dei lobi laterali, posizione dei nulli) agendo soltanto sulla fase dei singoli elementi radianti. In particolare per quanto riguarda la cancellazione delle interferenze, esistono algoritmi e tecniche di controllo [26-29] che permettono in tempo reale di puntare il fascio dell antenna in direzione di una sorgente in movimento e di cancellare contemporaneamente eventuali interferenze con potenze anche di molto superiori a quella del segnale. Questo approccio, più legato alle teorie elettromagnetiche che alle tecniche di elaborazione dei segnali, non prevede l utilizzo di reti di formazione del fascio digitali (DBF, Digital Beam Forming). Non sono quindi presenti nell architettura di sistema componenti digitali distribuiti nei singoli radiatori e il controllo del fascio è eseguito in modo analogico a radiofrequenza solo tramite sfasatori. La complessità e di conseguenza il costo dei sistemi considerati è quindi notevolmente ridotta, ma le capacità di riconfigurazione ed adattività sono comunque elevate. C è da osservare che per applicazioni ad alta frequenza questa è, allo stato attuale della tecnologia, l unica strada percorribile, data l eccessiva complessità che avrebbe un sistema completamente digitale. La tecnologia MEMS può trovare largo impiego in questo tipo di antenne, dato l elevato grado di riconfigurabilità e di integrazione richiesto, nell implementazione degli sfasatori digitali che dovranno essere connessi agli elementi radianti.

26 38 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 La riconfigurabilità può essere inoltre estesa al singolo elemento radiante facendo uso dei dispositivi MEMS non soltanto come interruttori, ma anche come capacità variabili o per alterare la struttura dell antenna stessa, cambiandone così le caratteristiche radiative [30-38]. La riconfigurabilità del sistema sarà quindi intesa in diversi modi. Tramite opportune reti di adattamento riconfigurabili a MEMS, connesse direttamente all antenna, si può per esempio mantenere un buon livello di adattamento nella banda operativa dell antenna in presenza di fattori di disturbo esterni (ostacoli in prossimità dell antenna, es. la mano dell utente) o interni (es. variazioni di temperatura) che variano nel tempo. La riconfigurabilità in frequenza può essere ottenuta connettendo gli elementi della schiera con interruttori MEMS che ne modificano la frequenza di risonanza [30-33] o agendo a livello di eccitazione su eventuali fessure di accoppiamento [35-37]. Un esempio di array riconfigurabile con interruttori MEMS è mostrato in Fig 27. Le dimensioni dei singoli dipoli e della loro spaziatura può essere controllata in modo da ottenere un apertura riconfigurabile su un ampia banda, dal momento che la più alta frequenza di utilizzo può essere imposta attraverso la periodicità della griglia [38]. Figura 27. Utilizzo di interruttori MEMS per la riconfigurazione in frequenza dell elemento radiante. La riconfigurazione a MEMS consente di realizzare elementi radianti multibanda capaci cioè di operare in bande di frequenza distinte con prestazioni difficilmente raggiungibili con le classiche antenne multibanda a geometria fissa [39]. In tutti i casi l utilizzo dei dispositivi MEMS introduce grandi vantaggi in termini di linearità, di consumi (soprattutto rispetto ai diodi PIN, che hanno dei consumi statici pari a 3-10mW per diodo mentre i dispositivi MEMS hanno consumi statici nulli) e di perdite (soprattutto rispetto ai transistor FET, che introducono elevate perdite nel front-end).

27 ROBERTO SORRENTINO, PAOLA FARINELLI, ALESSANDRO OCERA: MEMS A RADIOFREQUENZA 39 VIII. ATTIVITÀ DI RICERCA E SVILUPPO IN ITALIA A conoscenza degli autori, in Italia la ricerca sui RF MEMS ha avuto inizio nel 2001 con il progetto ESA ( Microwave Electrostatic Micro-machined devices for On-Board Applications, ESA/ESTEC research project Nr. 4628/NL/CK) coordinato da Alenia Spazio, in collaborazione con l Università di Perugia, ITC-irst (Istituto di Ricerca Scientifica e Tecnologica del Trentino), CNR-IMM (Istituto per la Microelettronica e Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche) e TUM (Istitut Fur Hochfrequenztechnik, Universität München, Germania). A tale progetto, che ha permesso di mettere a punto in Italia la tecnologia MEMS su Silicio presso l ITC-irst, ha fatto immediatamente seguito il progetto PRIN 2002 ( Sistemi elettromeccanici miniaturizzati (MEMS) per sistemi integrati ad alta frequenza ) al quale hanno partecipato le Università di Perugia, Pavia, e Bologna e l Università Politecnica delle Marche. Nel PRIN 2002 sono state messe a punto tecniche di simulazione elettromagnetica (FDTD, BI-RME) e circuitale, nonché tecniche meccanico-strutturali (simulazioni FEM, termo-elasticità per il calcolo della mappa degli stress del dispositivo) applicate alla progettazione e analisi di dispositivi MEMS, pervenendo alla progettazione, realizzazione e sperimentazione di dispositivi e semplici circuiti a MEMS (es. sfasatori, capacità digitalmente variabili), anche in collaborazione con laboratori europei quali l IRCOM (Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes, Università di Limoges, Francia). Nel 2004 sono stati inoltre avviati il progetto PRIN 2004 su Applicazioni della tecnologia MEMS a sistemi di antenne intelligenti e riconfigurabili e il progetto FIRB Modellamento di dispositivi e sottosistemi complessi ad alta frequenza entrambi in collaborazione tra le Università di Perugia, Pavia, Bologna e Politecnica delle Marche. Nel seguito riportiamo un breve panorama sulle attività di ricerca e sviluppo nel settore degli RF MEMS condotte, a nostra conoscenza, in Italia, seguito da un brevissimo cenno su progetti europei nel settore dei MEMS o, in generale, dei microsistemi a RF. 1. UNIVERSITA POLITECNICA DELLE MARCHE: Il gruppo di Ancona, in stretta collaborazione con il gruppo di Perugia, si occupa da diversi anni di problemi collegati con la simulazione elettromagnetica di dispositivi MEMS [40]; tale modellizzazione è stata ottenuta adattando allo scopo la tecnica GTRD (Generalized Transverse Resonance-Diffraction), introdotta alcuni anni prima [41]. La classe di dispositivi MEMS analizzabili è piuttosto ampia, grazie allo sviluppo di un primo modello ibrido elettromeccanico/elettromagnetico [42], in cui le equazioni di Maxwell sono risolte contestualmente alle equazioni di Newton per la piezoelettricità. Questo ha consentito di caratterizzare ad alta frequenza risonatori e filtri MEMS piezoelettrici ad onda acustica di substrato (FBAR). L'introduzione di una tecnica per l'estrazione della risposta in frequenza su larga banda a partire da pochi campioni significativi [43], consente poi la simulazione efficiente di dispositivi a Q elevato, senza richiedere una conoscenza a priori delle frequenze di risonanza. Le tecniche di analisi sono

28 40 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N. 3 SETTEMBRE 2005 ovviamente propedeutiche a metodologie di sintesi per nuovi circuiti MEMS; il gruppo di Ancona ha una vasta tradizione di impegno nello sviluppo di tecniche di progetto per circuiti a Microonde. Nello specifico caso dei MEMS, l'attività principale è quella di individuare nuove topologie circuitali per semplificare il progetto e l'ottimizzazione di dispositivi come commutatori e sfasatori [44]. 2. CENTRO DI RICERCA SUI SISTEMI ELETTRONICI PER L INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE E DELLE TELECOMUNICAZIONI ERCOLE DE CASTRO (ARCES): Il centro di ricerca ARCES dell Università di Bologna, da tempo attivo nel campo della progettazione di circuiti RF per applicazioni wireless, ha iniziato nel 2002 una linea di ricerca su modellistica, progettazione e caratterizzazione di dispositivi RF-MEMS e circuiti misti RF-MEMS/CMOS riconfigurabili. L attività di modellistica si basa sullo sviluppo e verifica di una metodologia per il progetto ottimo di dispositivi RF-MEMS e circuiti ibridi MEMS-CMOS. Punto fondamentale è la creazione di un contesto di simulazione multi-dominio (elettrico - meccanico) basato su modelli compatti non-lineari di componenti strutturali e trasduttori elettrostatici. Tramite implementazione in linguaggio HDL (Hardware Description Language) standard VerilogA, è stata compilata una libreria di componenti elementari MEMS inseribile in ambienti di simulazione per circuiti elettronici quali Cadence OPUS ed Agilent ADS. Ulteriori sviluppi basati sulla riduzione dell ordine di modelli agli elementi finiti non-lineari di strutture risonanti ad attuazione elettrostatica, sono in fase di studio tramite una collaborazione con l istituto IMTEK dell Università di Friburgo in Germania. Il progetto e realizzazione di dispositivi e blocchi funzionali basati su tecnologia RF-MEMS è focalizzato sullo sviluppo di condensatori variabili, interruttori a una o più vie, a contatto ohmico o capacitivi, e risonatori microelettromeccanici. Tutti i dispositivi sviluppati si basano su trasduzione elettrostatica a bassissimo consumo di potenza. 3. UNIVERSITA DI BOLOGNA: L attività di ricerca ha come principale obiettivo lo sviluppo di algoritmi di analisi di circuiti non lineari di grandi dimensioni contenenti un numero arbitrario di ordinari dispositivi non lineari e di MEMS. La metodologia adottata consiste nella risoluzione simultanea delle equazioni elettromeccaniche dei MEMS e delle ordinarie equazioni di bilanciamento armonico in regime di eccitazione multitonale, sia con fasori fissi che tempovarianti. A questo scopo è stato messo a punto un modello elettromeccanico molto sofisticato di interruttori MEMS a membrana, che è stato poi interfacciato con gli algoritmi di analisi circuitale basati sui sottospazi di Krylov. E in corso l estensione delle capacità di simulazione al caso di front-end in trasmissione riconfigurabili mediante dispositivi MEMS. L approccio adottato prevede la cosimulazione non lineare/elettromagnetica del front-end integrato con l antenna riconfigurabile a MEMS operato in regime di radiofrequenza a modulazione digitale, con l obiettivo di determinare il campo lontano irradiato e in particolare la distorsione della sua legge di modulazione. Le tecniche in corso di sviluppo consentono anche di trattare in maniera concettualmente rigorosa i